JP2018056700A

JP2018056700A - 圧電部品

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Publication number: JP2018056700A
Application number: JP2016188325A
Authority: JP
Inventors: 龍章照峰; Tatsuaki Teruo
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: JP6901250B2

Abstract

【課題】発振周波数の変動が抑制された高精度な圧電部品を提供する。【解決手段】本開示の圧電部品は、支持基板１と、支持基板１の上に配置された長尺状の圧電素子２と、支持基板１の上面に圧電素子２の長手方向の両端部をそれぞれ接合して固定している導電性接合材４とを備え、導電性接合材４は、圧電素子２の両端部の下面から端面にかけて接合されており、圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とで密度に差がある。【選択図】図３

Description

本開示は、例えば発振子として好適に用いられる圧電部品に関するものである。

一般的に、発振子に利用される圧電部品は、支持基板と、支持基板の上に搭載された圧電素子と、支持基板と圧電素子との間に微小間隔が生じるようにして圧電素子の両端部を固定する支持部および導電性接合材と、支持基板の上面および圧電素子を覆うように設けられた蓋体とから構成されている。そして、圧電素子は上面および下面に互いに対向するように一対の励振電極を有していて、この励振電極と支持基板の上面に設けられた一対の容量電極とが導電性接合材を介して電気的に接続されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１１−９７９６５号公報

従来、圧電素子の強固な固定によって、圧電部品（発振子）の主振動がダンピングされて弱まるため、発振周波数が不安定となって変動するという問題があった。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、発振周波数の変動が抑制された高精度な圧電部品を提供することを目的とする。

本開示の圧電部品は、支持基板と、該支持基板の上に配置された長尺状の圧電素子と、前記支持基板の上面に前記圧電素子の長手方向の両端部をそれぞれ接合して固定している導電性接合材とを備え、前記導電性接合材は、前記圧電素子の前記両端部の下面から端面にかけて接合されており、前記圧電素子の下側に位置する第１の領域とそれ以外の第２の領域とで密度に差があることを特徴とする。

本開示の圧電部品によれば、主振動のダンピングが抑制され、発振周波数の変動を抑制して当該発振周波数を安定させることができる。

圧電部品の実施形態の一例を示す概略斜視図である。（ａ）は図１に示す圧電部品の一部省略平面図、（ｂ）は図１に示す圧電部品のＡ−Ａ線で切断した断面図、（ｃ）は図１に示す圧電部品の底面図である。圧電部品の実施形態の一例を示す要部拡大断面図である。圧電部品の実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。圧電部品の実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。圧電部品の実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して、圧電部品の実施形態の一例を説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は圧電部品の実施形態の一例を示す概略斜視図である。また、図２（ａ）は図１に示す圧電部品の一部省略平面図、図２（ｂ）は図１に示す圧電部品のＡ−Ａ線で切断した断面図、図２（ｃ）は図１に示す圧電部品の底面図である。また、図３は、圧電部品の実施形態の一例を示す要部拡大断面図である。

図１〜図３に示す例の圧電部品１００は、支持基板１と、支持基板１の上に配置された長尺状の圧電素子２と、支持基板１の上面に圧電素子２の長手方向の両端部をそれぞれ接合して固定している導電性接合材４とを備え、導電性接合材４は、圧電素子２の両端部の下面から端面にかけて接合されており、圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とで密度に差がある。

支持基板１は、長尺状の圧電素子２の長手方向の両端部を上面にそれぞれ接合して固定している基板である。例えば、長さが２．５ｍｍ〜７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍの長方形状の平板として形成された誘電体からなる基板本体１１を有している。基板本体１１としては、アルミナやチタン酸バリウム等のセラミック材料、ガラスエポキシ等の樹脂系材料を用いることができる。

支持基板１を構成する基板本体１１の上面には一対の容量電極１２（第１容量電極１２１および第２容量電極１２２）が設けられている。この第１容量電極１２１および第２容量電極１２２は、圧電素子２の励振電極２１と電気的に接続されるとともに、入出力端子電極１４と電気的に接続され、また後述するグランド端子電極１３との間で容量を形成するための電極である。

第１容量電極１２１は、基板本体１１の長手方向の一方の端部側（図の左側）に配置されて当該基板本体１１の幅方向（短手方向）に延びた領域と、基板本体１１の長手方向の一方の端部側から中央部に向かって延びて配置された領域とを有している。また、第２容量電極１２２は、基板本体１１の長手方向の他方の端部側（図の右側）に配置されて当該基板本体１１の幅方向（短手方向）に延びた領域と、支持基板１の長手方向の他方の端部側から中央部に向かって延びて配置された領域とを有している。なお、第１容量電極１２１と第２容量電極１２２とは、基板本体１１の上面の長手方向の中央部に間隔をあけて配置されている。

また、支持基板１は、基板本体１１の下面に、一対の容量電極１２と電気的に接続された一対の入出力端子電極１４と、一対の入出力端子電極１４の間に配置されたグランド端子電極１３とを有している。

一対の入出力端子電極１４は、電気信号の入り口または出口となる端子電極であって、基板本体１１の下面に当該基板本体１１の幅方向に延びて設けられている。また、一対の入出力端子電極１４は、基板本体１１の上面に設けられた第１容量電極１２１または第２容量電極１２２と電気的に接続されているとともに、外部回路基板に実装された際に外部回路と電気的に接続される。

グランド端子電極１３は、基板本体１１の下面における一対の入出力端子電極１４の間に配置され、当該基板本体１１の幅方向に延びて設けられている。また、グランド端子電極１３は、基板本体１１を挟んで第１容量電極１２１と第２容量電極１２２とにまたがって対向して、静電容量（負荷容量）を形成している。また、外部回路基板に実装された際には、グランド電位に電気的に接続される。

本例のように、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３
とが基板本体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド端子電極１３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが対向する領域の面積が等しくなるように設定されることにより、それぞれの対向する領域で得られる静電容量が等しくなる。また、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが基板本体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド端子電極１３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが対向する領域を大きくすることができるので、静電容量を大きく形成することができる。なお、それぞれの対向する領域で得られる静電容量は、圧電部品１００が接続されてともに発振回路を構成する増幅回路素子の特性によって定められる。

さらに、支持基板１の側面には、第１容量電極１２１または第２容量電極１２２と入出力端子電極１４とを電気的に接続する側面電極１５が設けられている。また、支持基板１の側面には、外部回路基板へのはんだ接合（実装性）などの関係で、支持基板１の側面において、グランド端子電極１３と電気的に接続された側面電極１６も設けられている。

第１容量電極１２１，第２容量電極１２２，グランド端子電極１３，入出力端子電極１４，側面電極１５、１６の材料としては、金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を樹脂中に分散させた導電性樹脂（導電性ペースト）や、それら金属粉末にガラス等の添加物を加えて焼き付けた厚膜導体等を用いることができる。必要に応じてＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ等のめっきを形成したものでもよい。

支持基板１の上には、直方体状の圧電素子２が長手方向の両端部を固定されて搭載されている。そして、支持基板１の上には、図２に示すように、必要により第１の支持部３１および第２の支持部３２が設けられていて、圧電素子２の長手方向の両端部が第１の支持部３１および第２の支持部３２によって支持されるようにして、圧電素子２が振動可能に搭載されている。

第１の支持部３１および第２の支持部３２は、例えば金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を樹脂中に分散させてなる突起状の部位である。例えば、縦、横方向の長さ（径）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、厚みが１０μｍ〜１００μｍで、角柱状、円柱状などに形成される。第１の支持部３１および第２の支持部３２は、それぞれ１つずつの構成であってもよく、図６に示すような複数個ずつの構成であってもよい。

第１の支持部３１および第２の支持部３２のまわりには導電性接合材４が設けられていて、圧電素子２の両端部が第１の支持部３１，第２の支持部３２および第１容量電極１２１，第２容量電極１２２に接合され、電気的に接続されている。

この導電性接合材４は、圧電素子２の両端部の下面から端面にかけて接合されている。図に示す例では、導電性接合材４は、圧電素子２の端面を這い上がって圧電素子２の上面までかかるように設けられている。このような導電性接合材４としては、例えばはんだや導電性接着剤等が用いられ、はんだであれば、例えば銅，錫，銀からなる鉛を含まない材料等を用いることができ、導電性接着剤であれば、銀，銅，ニッケル等の導電性粒子を７５〜９５質量％含有したエポキシ系の導電性樹脂またはシリコーン系の樹脂を用いることができる。

なお、図２および図３に示す例では、第１の支持部３１および第２の支持部３２が設けられているが、図４に示すように、第１の支持部３１および第２の支持部３２が設けられておらず、圧電素子２を浮かせて搭載するように当該圧電素子２の両端部を導電性接合材４のみで固定してもよい。

圧電素子２は、圧電体２２と、圧電体２２の一方主面（上面）および他方主面（下面）にそれぞれ互いに対向する領域（交差領域）を有するように設けられた一対の励振電極２１とを備えている。

圧電素子２を構成する圧電体２２は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの長尺状（直方体状）に形成されたものである。この圧電体２２は、例えばチタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム，ニオブ酸カリウム，ビスマス層状化合物等を基材とする圧電セラミックスを用いて形成することができる。

また、圧電体２２の一方主面（上面）に設けられた励振電極２１は長手方向の一方の端部から他方の端部側に向けて延びるように設けられ、圧電体２２の他方主面（下面）に設けられた励振電極２１は長手方向の他方の端部から一方の端部側に向けて延びるように設けられ、それぞれ互いに対向する領域を有している。この励振電極２１は、例えば金，銀，銅，アルミニウム，クロム，ニッケル等の金属を用いることができ、それぞれ圧電体２２の表面に例えば０．１μｍ〜３μｍの厚みに被着される。そして、図に示すように、圧電素子２の両端面には端面電極２３が設けられており、この端面電極２３，導電性接合材４および第１の支持部３１を介して上面の励振電極２１が第１容量電極１２１と電気的に接続されている。また、導電性接合材４および第２の支持部３２を介して下面の励振電極２１が第２容量電極１２２と電気的に接続されている。

このような圧電素子２は、一対の励振電極２１間に電圧を印加したとき、励振電極２１が対向する領域（交差領域）において、特定の周波数で厚み縦振動もしくは厚みすべり振動の圧電振動を発生させるようになっているものである。

なお、図１、図２（ｂ）に示すように、圧電素子２を覆うように支持基板１の上に蓋体５が設けられていてもよい。蓋体５は、支持基板１の上面の外周部に、例えばエポキシ系やアクリル系の接着剤、リフロー耐熱性の観点から好ましくはエポキシ系の接着剤で接合されている。これにより、支持基板１とともに形成した内部空間に収容されている圧電素子２を外部からの物理的な影響や化学的な影響から保護する機能と、支持基板１とともに形成した空間内への水等の異物の浸入を防ぐための気密封止機能を有している圧電部品１００とすることができる。なお、蓋体５の材料として、例えば、ステンレス鋼などの金属、アルミナなどのセラミックス，樹脂，ガラス等を用いることができる。また、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材料に無機フィラーを２５〜８０質量％の割合で含有させたものでもよい。

また、図１に示すように、側面電極１５、側面電極１６は蓋体５の側面まで延びていてもよく、これにより外部回路基板への実装性が向上する。

そして、図３に示すように、導電性接合材４は圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とで密度に差がある。言い換えると、圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とのいずれか一方が疎な領域で他方が密な領域になっている。

導電性接合材４が、圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とで密度に差がある構成としては、第１の領域４１と第２の領域４２とで硬化時の樹脂密度が異なる２種類の接合材を用いることの他、空隙率に差をつけるなどの例が挙げられる。

例えば、空隙率に差をつける場合、それぞれの領域の全体に占める空隙部の体積比（空
隙部／（空隙部＋導電性樹脂部））を空隙率としたとき、密な領域の空隙率を５％未満、疎な領域の空隙率を５％以上とする。この空隙率は、導電性接合材４の第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とを、任意の箇所で切断した断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による画像から面積比を求めて算出することができる。

このような構成によれば、導電性接合材４の密な領域によりしっかりと固定され、導電性接合材４の疎な領域により圧電素子２の主振動のダンピングが抑制される。したがって、発振周波数の変動を抑制した、高精度な圧電部品を得ることができる。

ここで、導電性接合材４は、第２の領域４２よりも第１の領域４１のほうが密度が低い構成とすることができる。圧電素子２の主振動の振動領域に近い第１の領域４１は主振動のダンピング効果への影響力が高い領域であるため、この第１の領域４１を第２の領域よりも密度が低く疎な領域にすることで、より導電性接合材４による圧電素子２の主振動のダンピングが抑制され、発振周波数の変動がより抑制できる。

また、温度変化による導電性接合材４の熱膨張率が圧電素子２の熱膨張率よりも大きいことから、導電性接合材４と圧電素子２との接合面にかかる応力が変動し、発振周波数も変動する。これに対し、圧電素子２の主振動の振動領域に近い第１の領域４１を第２の領域４２よりも密度が低く疎な領域にすることで、熱膨張にともなう応力の変動を低減でき、温度変化による発振周波数の変動を抑制できる。

そして、図５に示すように、圧電素子２の主振動の振動領域に近い第１の領域４１を第２の領域４２よりも密度が低く疎な領域としたときに、当該第１の領域４１において、支持基板１に近い側の部位４１１よりも圧電素子２に近い側の部位４１２のほうが密度が低い構成とすることができる。ここで、支持基板１に近い側の部位４１１と圧電素子２に近い側の部位４１２との境界は、第１の領域４１の全体厚みｔのちょうど半分（ｔ／２）の位置であることとする。第１の領域４１において、圧電素子２に近い側の部位４１２のほうが密度が低く疎な領域となっていることで、導電性接合材４による圧電素子２の主振動のダンピングをより抑制でき、また熱膨張にともなう応力の変動もより抑制できる。

また、図６に示すように、圧電素子２の主振動の振動領域に近い第１の領域４１を第２の領域４２よりも密度が低く疎な領域としたときに、当該第１の領域４１において、平面視したときの外周部４１３よりも内側部４１４のほうが密度が低い構成とすることもできる。

圧電素子２の振動エネルギーは励振電極２１の中央付近が最も大きい。したがって、第１の領域４１において、平面視したときの外周部４１３よりも内側部４１４のほうが密度が低く疎な領域となっていることで、導電性接合材４による圧電素子２の主振動のダンピングをさらに抑制でき、振動エネルギーの損失を抑制することができる。

次に、圧電部品１００の製造方法の一例について説明する。

まず、支持基板１を作製するための多数個取り基板を作製する。例えば、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなどの原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ、可塑剤等を加え、乾燥、整粒する。このようにして得られた原料をプレス成型し、必要により孔加工を施した後、所定温度で脱脂後、例えば９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成し、所定の厚みに研磨加工を実施する。その後、例えば、銀、ニッケル等の金属粉末とガラスを含む導電性ペーストを印刷し、所定の温度で焼成し、第１容量電極１２１、第２容量電極１２２、グランド端子電極１３、入出力端子電極１４などを形成して支持基板１を得る。

得られた支持基板１に、スクリーン印刷等を用いて導電性ペーストによる支持部を厚み１μｍ〜１００μｍ程度に形成する。具体的には、第１容量電極１２１の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第１の支持部３１を設けるとともに、第２容量電極１２２の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第２の支持部３２を設ける。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２２は、例えば、原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ、可塑剤等を加え、乾燥、整粒する。このようにして得られた原料をプレス成型後、焼成し、圧電磁器を得る。得られた圧電磁器の端面に電極を形成し、例えば２５℃〜３００℃の温度にて端面方向に例えば０．４ｋＶ／ｍｍ〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理を行う。

圧電体２２の上下面に形成される励振電極２１は、得られた圧電体２２に、真空蒸着法，ＰＶＤ法，スパッタリング法等を用いて圧電体２２の上下面に金属膜を被着させ、厚みが１μｍ〜１０μｍ程度のフォトレジスト膜をそれぞれの金属膜上にスクリーン印刷等を用いて形成した後に、フォトエッチングによってパターニングすることによって、形成することができる。パターンニングされた圧電体２２を所定のサイズにダイシング等でカットすることにより圧電素子２が作製される。

次に、導電性接合材４を用いて、圧電素子２を支持基板１の第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に搭載し、固定する。導電性接合材４が金属粉末を樹脂中に分散させてなる導電性接着剤の場合は、ディスペンサ等を用いてこの導電性接着剤を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に塗布しておいて、圧電素子２を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に載せ、加熱または紫外線照射により導電性接着剤の樹脂を硬化させればよい。

ここで、導電性接合材４が、圧電素子２の両端部の下面から端面にかけて接合されており、圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１とそれ以外の第２の領域４２とで密度に差がある構成として、例えば圧電素子２の下側に位置する第１の領域４１の密度が低く、それ以外の第２の領域４２の密度が高い構成とするには、まず、空気を導入しながら混練した気泡を多く含む導電性接合材４をディスペンサ等を用いて圧電素子２の下側となる部位（第１の領域４１に位置する部位）に塗布し、硬化させる。そして、圧電素子２を搭載するとともに、脱泡した導電性接合材４をディスペンサ等を用いてそれ以外の領域（第２の領域４２となる部位）に塗布し、硬化させればよい。

また、第１の領域４１を第２の領域４２よりも密度が低く疎な領域としたときに、当該第１の領域４１において、支持基板１に近い側の部位４１１よりも圧電素子２に近い側の部位４１２のほうが密度が低い構成とするには、まず、スクリーン印刷などで支持基板１の上面の第１の領域４１に位置する部位に脱泡した導電性接合材４を印刷、硬化させる。その上から空気を導入しながら混練した気泡を多く含む導電性接合材４を印刷する。そして、圧電素子２を搭載するとともに、脱泡した導電性接合材４をディスペンサ等を用いてそれ以外の領域（第２の領域４２となる部位）に塗布し、硬化させればよい。

また、圧電素子２の主振動の振動領域に近い第１の領域４１を第２の領域４２よりも密度が低く疎な領域としたときに、当該第１の領域４１において、平面視したときの外周部４１３よりも内側部４１４のほうが密度が低い構成とするには、まず、目数の多いメッシュを用いてスクリーン印刷などで支持基板１の上面の第１の領域４１に位置する部位に脱泡した導電性接合材を印刷、硬化する。その上から空気を導入しながら混練した気泡を多く含む導電性接合材４を、外周部より内側の方が目数の少ないメッシュを用いてスクリー
ン印刷する。そして、圧電素子２を搭載するとともに、脱泡した導電性接合材４をディスペンサ等を用いてそれ以外の領域（第２の領域４２となる部位）に塗布し、硬化させればよい。

そして、必要により、圧電素子２を覆うようにして、蓋体５の開口周縁面を支持基板１の上面の周縁部に接合する。蓋体５としては、複数の凹部を有する多数個取りの集合蓋体シートを用いて、凹部が圧電素子２を覆うようにして集合蓋体シートを多数個取り基板の上に乗せ、蓋体５の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部を支持基板１の上面の周縁部に接合する。例えば、準備しておいた蓋体５の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部に熱硬化性の絶縁性接着剤を塗布し、蓋体５を支持基板１の上面に載せる。しかる後に、蓋体５または支持基板１を加熱することにより絶縁性接着剤を１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させ、蓋体５を支持基板１の上面に接合する。

最後に、各圧電部品（個片）の境界にそってダイシング等で切断した後、個片となった各圧電部品の側面にスクリーン印刷等を用いて導電性ペーストを印刷し、１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させて側面電極１５、１６を形成することで圧電部品１００を得ることができる。なお、この後に側面電極１５、１６の表面上にＮｉやＡｕ等のめっきを形成してもかまわない。

以上の方法により、本例の圧電部品１００が作製される。このような方法によれば、発振周波数の変動が抑制された高精度な圧電部品を作製することができる。

１：支持基板
１１：基板本体
１２：容量電極
１２１：第１容量電極
１２２：第２容量電極
１３：グランド端子電極
１４：入出力端子電極
２：圧電素子
２１：励振電極
２２：圧電体
２３：端面電極
３１：第１の支持部
３２：第２の支持部
４：導電性接合材
４１：第１の領域
４１１：支持基板に近い側の部位
４１２：圧電素子に近い側の部位
４１３：外周部
４１４：内側部
４２：第２の領域
５：蓋体

Claims

支持基板と、該支持基板の上に配置された長尺状の圧電素子と、前記支持基板の上面に前記圧電素子の長手方向の両端部をそれぞれ接合して固定している導電性接合材とを備え、
前記導電性接合材は、前記圧電素子の前記両端部の下面から端面にかけて接合されており、前記圧電素子の下側に位置する第１の領域とそれ以外の第２の領域とで密度に差があることを特徴とする圧電部品。
前記導電性接合材は、前記第２の領域よりも前記第１の領域のほうが密度が低いことを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記導電性接合材は、前記第１の領域において、前記支持基板に近い側よりも前記圧電素子に近い側のほうが密度が低いことを特徴とする請求項２に記載の圧電部品。
前記導電性接合材は、前記第１の領域において、平面視したときの外周部よりも内側部のほうが密度が低いことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧電部品。